 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Трафаретные узоры атомного масштаба помогают наночастицам принимать новые формы и осваивать новые приемы
ШАМПЕЙН, Иллинойс — Вдохновленные трафаретами художника, исследователи разработали высокоточный рисунок на поверхности наночастиц на атомном уровне, позволяющий им “раскрашивать” наночастицы золота полимерами, придавая им множество новых форм и функций. ”Неоднородные наночастицы», разработанные исследователями Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и сотрудниками Мичиганского университета и Университета штата Пенсильвания, могут производиться большими партиями, использоваться для различных электронных, оптических или биомедицинских применений или использоваться в качестве строительных блоков для новых сложных материалов и метаматериалов. Исследователи под руководством Цянь Чена, профессора материаловедения и инженерии из Иллинойса, сообщили о своих выводах в журнале Nature.
“Одним из сокровищ в области наноматериалов является создание сложных функциональных структур из наноразмерных строительных блоков. Но контролировать направление и структуру каждой наночастицы чрезвычайно сложно, особенно при создании материалов, выходящих за рамки простой плотной упаковки”, — сказал Чен. “Затем мы позаимствовали эту идею у природы: белки имеют разные поверхностные домены, и благодаря их взаимодействию они могут создавать все сложные механизмы, которые мы видим в биологии. Поэтому мы применяем эту стратегию, размещая заплатки или отдельные домены на поверхности наночастиц”.
Однако проблема того, как прикреплять заплатки в контролируемой конструкции или в больших масштабах, оказалась непростой. Работая в лаборатории Чена в качестве аспирантки над этой проблемой, Ахен Ким, соавтор статьи, посещала занятия по искусству. На занятиях она изучала технику трафаретной печати, при которой с помощью маски можно было нарисовать сложный узор на изогнутом куске керамики. Она поняла, что такой метод может работать и на поверхностях наночастиц.
“Мы знаем, что атомы галогенидов, таких как йодид, хлорид или бромид, адсорбируются на металлах. Мы также знаем, что разные грани наночастицы металла обладают разной способностью к адсорбции. Таким образом, мы можем покрыть некоторые поверхности наночастицы золота всего одним слоем йодида, а другие — органической грунтовкой. Затем мы можем нанести полимер, и он прилипает только к граням с помощью органического грунта. Йодид маскирует другие грани”, — говорит Ким, которая в настоящее время является научным сотрудником Калифорнийского технологического института.Разрабатывая технику атомарного трафарета, Ахен Ким вдохновлялся уроками рисования, которые он посещал, когда был аспирантом в Иллинойсе. Фото любезно предоставлено Ахеном Кимом. Группа Чена сотрудничала с группой профессора университета Пенсильвании Кристен Фичторн, чтобы изучить динамику конкурентного связывания йодида и органического праймера с гранеными наночастицами золота и разработать маскирующие конструкции.“Ионная адсорбция — классический вопрос в науке о поверхности”, — сказал Фичторн. “Мы рассчитали на атомарном уровне энергетически предпочтительные конфигурации иодида и органического праймера на различных гранях золота и предсказали фазовую диаграмму, на которой будет происходить атомная трафаретизация”.
Затем исследователи в сотрудничестве с группой профессора из Мичигана Шэрон Глотцер создали библиотеку, в которой описаны виды неоднородных частиц. и сборки, которые может дать техника нанесения трафарета. Они использовали компьютерное моделирование, чтобы предсказать, как полимеры будут располагаться в узорах трафарета, а затем как получившиеся неоднородные частицы будут располагаться в более крупные кристаллические структуры. Группа Чена экспериментально подтвердила результаты моделирования, создав более 20 различных неоднородных наночастиц. “Компьютерное моделирование позволяет нам исследовать огромное пространство возможных неоднородных структур частиц быстрее, чем это возможно в экспериментах. Сотрудничая с экспериментаторами и используя их данные для разработки и проверки нашей компьютерной модели, вместе мы можем открыть гораздо больше, чем с помощью эксперимента или моделирования в одиночку”, — сказал Глотцер. “Атомный трафарет позволяет синтезировать партии неоднородных частиц с гораздо более сложными узорами, чем это было возможно за последние 25 лет исследований в области нанонауки, и упростит самостоятельную сборку все более сложных структур из наночастиц”.
Профессор из Иллинойса Цянь Чен, слева, и аспирант Чансонг Ким. Фото Фреда Цвикки. «Поскольку частицы имеют множество функциональных областей на своей поверхности, они взаимодействуют так, как не могут взаимодействовать другие наночастицы, и собираются в новые структуры, обладающие потенциалом для создания метаматериалов — инженерных материалов с уникальными световыми и звуковыми свойствами», — сказал аспирант из Иллинойса Чансонг Ким, соавтор статьи. Кроме того, по его словам, технология маскировки может быть применима ко многим другим типам наночастиц и функциональных групп, а не только к золоту и полимерам.“Вы можете использовать различные материалы для наночастиц и различные типы ионов в качестве маски, так что вы можете создавать огромное разнообразие материалов”, — сказал Чансонг Ким. “И мы можем производить их большими партиями. Мы считаем, что, основываясь на различных сочетаниях материалов, этот метод также может создавать уникальные материалы с новыми свойствами и областями применения. Он обладает неограниченным потенциалом”.
Министерство энергетики США поддержало экспериментальную работу, предоставив грант DE-SC0020723. Сотрудничество Глоцера и Чена было поддержано Национальным научным фондом США через Научно-технический центр Complex Particle Systems. Среди других крупных организаций, сотрудничающих в этой работе, — группа Дэвида Мюллера из Корнеллского университета и Аарон Майкельсон из Брукхейвенской национальной лаборатории. Цянь Чен также связан с кафедрами химии и химической и биомолекулярной инженерии, Институтом передовых наук и технологий Бекмана, Институтом геномной биологии Карла Р. Везе, медицинским колледжем Карла Иллинойса и лабораторией исследования материалов в Иллинойсе. Она работает исследователем в чикагском биохабе Чана Цукерберга.
Другие новости: